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一个距离数千光年的极其密集的宇宙天体正在充当一个天然的核物理实验，为在实验室中无法重现的过程提供线索。
天体物理学家们研究中子星（大质量恒星的超致密残骸），以了解物质在它能承受的最高密度下的行为。当一颗恒星坍缩成中子星时，剩下的就是一个将比整个太阳系包含的质量还要多的质量压缩到一个中等城市直径的球体中的物体。已经提出了许多假设来解释这些超密物体的核心可能是什么，从简单的中子和质子到更奇特的混合物，其中包含在地球上寿命极短的量子粒子。
“很难预测物质在这些密度下会做什么，”位于弗吉尼亚州夏洛茨维尔的国家射电天文台的射电天文学家保罗·德莫雷斯特说。“它基本上是我们所知的不是黑洞的最密集的物质形式。”
现在，一颗名为 J1614-2230 的中子星正在为该物体及其同类由什么构成提供一些答案。一项新的、精确的 J1614-2230 质量估计，将这颗恒星残骸的质量定为接近太阳质量的两倍，根据10月28日出版的《自然》杂志上的一项研究，排除了几种关于中子星内部的拟议模型。（《大众科学》是自然出版集团的一部分。）
凭借世界上最大的射电望远镜之一和一点运气，德莫雷斯特和他的同事们通过定时来自中子星的规则电磁脉冲的到达时间来推导出质量。J1614-2230 是一颗脉冲星，一颗发射辐射束的中子星，当脉冲星旋转并且其光束像灯塔的光束一样扫过天文学家的望远镜时，以爆发的形式到达地球。研究人员针对的脉冲星是一颗相当快的旋转器，每秒完成 300 多次旋转。但是每个脉冲并不是完全按时到达；当光束在其从 J1614-2230 到地球的大约 3000 光年的旅程中经过一个巨大物体时，由于广义相对论的一种效应（称为引力时间膨胀），其到达时间会延迟。
在西弗吉尼亚州的 100 米 绿岸望远镜，德莫雷斯特和他的同事们定时了 J1614-2230 的射电脉冲的到达时间，因为脉冲星在一个双星伴星（一个质量较小的恒星残骸，称为白矮星）的轨道上循环。白矮星的质量是太阳的一半，它的质量足以将脉冲的到达时间延迟数十微秒，这要归功于脉冲星-白矮星双星的轨道平面与地球视线的幸运对齐。（当白矮星和脉冲星的相对位置使它们与地球成一直线时，来自 J1614-2230 的辐射束在到达这里的途中非常靠近白矮星，从而最大程度地延迟。）“我们很幸运，这个系统从地球上看几乎是完全侧向的，”德莫雷斯特说。
通过追踪引力引起的滞后（一种称为夏皮罗延迟的现象）在脉冲星-白矮星系统的整个 8.7 天轨道上的演变，研究人员能够对物体的质量进行精确估计。脉冲星 J1614-2230 的估计值（该研究的作者得出结论，其质量是太阳的 1.97 倍）是迄今为止对中子星的最大精确估计值。该测量为许多拟议的中子星组成中哪些是有效的提供了一些指导，因为某些模型不允许存在如此巨大的物体。
“拥有一个如此巨大的物体排除了一大堆完全合理、相当主流的预测，”马里兰大学帕克分校的天体物理学家科尔·米勒说，他在同一期《自然》杂志上撰写了一篇评论，其中附有这项研究。其中一些包括来自超子的贡献，超子是比中子稍重一点的粒子，在地球上的寿命极其短暂，或者是从质子和中子中解脱出来的夸克，它们通常会共同形成质子和中子。“我想说，这个物体相对较高的质量有点支持以中子和质子为主的核心，以及一些电子，”米勒说。
纽约州长岛石溪大学的天文学教授詹姆斯·拉蒂默表示，J1614-2230 的测量“为中子星的质量设定了一个重要的全新限制”，并且其高信噪比使其与过去得出的类似的高质量区分开来。他指出，尽管这项研究排除了迄今为止提出的大多数超子模型，但可能会设计出与新观测结果相吻合的替代模型。类似地，对于夸克物质，这项研究使得“在中子星内部拥有解脱的夸克更加困难，但这当然不是被排除的，”拉蒂默说。
中子星内部的构成不仅仅是为了证明一位研究人员的模型是正确的而另一位是错误的。“这是非常基础的核物理，”米勒说。“通过观察中子星和其他天体物理物体，我们能够探索在地球上根本无法到达的领域。这在历史上是我们真正学到最多的地方，我们已经超越了实验室实验的界限。”